Дипломная работа (ВКР) на тему: "Полярно-мостовые краны"
РЕФЕРАТ
Выпускная квалификационная работа
бакалавра содержит: 58 страниц, 13 рисунков, 5 таблиц, 9 источников.
АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, МОТОР-РЕДУКТОР,
МЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Объектом исследования является электропривод
перемещения тележки мостового электрического крана кругового действия
грузоподъемностью 360(205)/32т.
Цель работы – модернизация электропривода перемещения
тележки мостового электрического крана кругового действия грузоподъемностью
360(205)/32т. Способом применения мотор-редукторов с большей частотой вращения
выходного вала и применения преобразователя частоты для управления асинхронными
двигателями мотор-редукторов.
В соответствии с поставленной целью в работе решены основные
задачи по модернизации электропривода перемещения тележки крана.
В
процессе работы были проведены расчеты механизма передвижения крана, выбор
преобразователя частоты, разработка электрической схемы электропривода,
моделирование работы электропривода.
Итогом работы стали следующие
рекомендации: для обеспечения максимальной скорости заменить мотор-редуктор на
МР-3-500-14-12,5. Для реализации регулирования скорости применить
преобразователь частоты EI-7011-050H со скалярным управлением
производства Веспер.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 Описание
конструкции мостового крана
1.1
Техническая характеристика объекта
1.2 Постановка
задачи
1.3 Исходные
данные для решения поставленной задачи
1.4
Предложения по модернизации
2 Расчет
механизма передвижения крана
2.1 Требования
к системе электропривода
2.2 Расчет
необходимой мощности двигателя перемещения тележки крана
2.3 Выбор
мотор-редуктора
3 Выбор
преобразователя частоты
3.1
Преобразователь частоты с автономным инвертором напряжения и широтно-импульсной
модуляцией
3.2 Выбор
способа управления и мощности преобразователя частоты
4 Разработка
электрической схемы электропривода
4.1 Выбор
коммутационной аппаратуры
4.2 Описание
работы электрической схемы электропривода передвижения тележки крана
5
Моделирование работы электропривода
5.1 Расчет и
построение механической характеристики для асинхронного двигателя
5.2 Расчет
параметров асинхронного двигателя
5.2.1
Определение значений активных сопротивлений фазы статора и ротора
5.2.2
Определение индуктивных сопротивлений Т- образной схемы замещения
5.2.3
Определение базовых расчетных параметров асинхронного двигателя для построения
математической модели
5.3 Расчет
механических характеристик асинхронного двигателя в системе ПЧ-АД при частотном
регулировании в программе Mathcad
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК
ИСПОЛЬЗОВАНЫХ ИСТОЧНИКОВ
ВВЕДЕНИЕ
Полярно-мостовые краны
являются основным грузоподъемным оборудованием производственных цехов, закрытых
и открытых складов, погрузочных площадок, применяются для монтажа сборных
строительных сооружений, для обслуживания открытых и закрытых складов,
погрузочных площадок, промышленных предприятий,
Актуальность работы
связана с тем, что широкое использование в практике машиностроительного
производства грузоподъемных технических средств и мостовых подъемных кранов, в
частности, требует постоянной модернизации их конструкции и улучшения
технико-эксплуатационных показателей. Замена в оборудовании крана узлов на
отечественные аналоги значительно удешевит процесс модернизации.
Цель работы – расширение
существующих технологических возможностей и повышение эффективности перемещения
тележки мостового электрического крана кругового действия грузоподъемностью
360(205)/32т. Способом применения мотор-редукторов с большей частотой вращения
выходного вала и применения преобразователя частоты для управления асинхронными
двигателями мотор-редукторов.
Задачи, решаемые в
ходе ВКР для достижения цели:
·
расчет
необходимой мощности электродвигателя для обеспечения заданной скорости
перемещения тележки;
·
выбор
асинхронного электродвигателя и преобразователя частоты;
·
разработка
электрической принципиальной схемы электропривода перемещения тележки.
Методы исследования
объекта основаны на расчёте и построении механических характеристик
асинхронного двигателя с применением Т-образной схемы замещения при скалярном
управлении в программе Mathcad.
1 Описание конструкции
мостового крана
1.1 Техническая характеристика объекта
Конструкция крана и
электрооборудование выбраны из условий обеспечения выполнения требований
документов, устанавливающих нормы и правила изготовления и эксплуатации.
Кран мостовой
электрический кругового действия грузоподъемностью 360(205)/32т пролетом 41,5 м
установлен под куполом реакторного отделения Ленинградской АЭС (ЛАЭС-2)
Энергоблок №6 (см. рисунок 1) и предназначен:
·
в период
строительства АЭС для выполнения подъемно-транспортных операций по
транспортировке и монтажу оборудования (реактора, парогенераторов и т.д.);
·
при
эксплуатации АЭС, в период ППР и реконструкции – для выполнения
транспортно-технологических операций со «свежим» и отработавшим ядерным
топливом, радиоактивными отходами элементами реакторной установки и т.д.;
·
при выводе
АЭС из эксплуатации кран будет выполнять подъемно-транспортные операции по
демонтажу оборудования герметичной зоны реакторного здания.
Рисунок 1 – Внешний вид крана
Тележка полярного крана
перемещается вдоль моста, сам кран передвигается по круговому рельсу над шахтой
ядерного реактора, что позволяет совершать транспортные операции в любой точке
здания.
Кран состоит из
следующих составных частей (см. рисунок 2): мост крана; механизм передвижения крана;
кабина управления; тележка крана. Мост состоит из двух пролетных и двух
концевых балок коробчатого сечения. Соединение балок между собой в жесткую раму
в плане производится на монтаже высокопрочными болтами. На пролетные балки
установлены под тележечные рельсы типа P50, по которым перемещается тележка. Крепление
рельса осуществляется прижимными планками с помощью болтов.
Рисунок 2 – Схема мостового крана
На мосту крана (см. рисунок 3) имеются площадки,
расположенные в два яруса. Площадки нижнего яруса предназначены для прохода
персонала для осмотра и обслуживания механизмов передвижения крана, системы
густой смазки, а также для установки и обслуживания электрооборудования.
Площадки верхнего яруса сплошные по всему пролету, предназначены для установки
на них кабельного токоподвода к тележке крана, а также для обслуживания тележки
крана.
Рисунок 3 – Внешний вид мостового крана
В качестве
грузозахватного органа кранов служат: крюки, грейферы, электромагниты, захваты и
другие специальные устройства [1].
В таблице 1
приведены основные технические характеристики мостового крана.
Таблица 1 – Основные параметры крана кругового действия 360(205)/32т
|
Основные параметры |
Значение |
|
Масса монтажного груза, т |
360 |
|
Масса эксплуатационного груза, т |
205 |
|
Масса груза вспомогательного
подъема, т |
32 |
|
Масса грузовой подвески, т |
24,46 |
|
Масса грузовой подвески
вспомогательной, т |
0,280 |
|
Пролет крана, м |
41,5 |
|
Высота главного подъема, м |
28 |
|
Высота вспомогательного подъема, м |
50 |
|
Режим работы главного подъема |
М5 |
|
Режим работы вспомогательного
подъема |
М5 |
|
Скорость подъема основного груза,
м/с |
0,0167 |
|
Скорость подъема вспомогательного
груза, м/с |
0,1 |
|
Скорость передвижения тележки, м/с |
0,267 |
|
Скорость передвижения крана, м/с |
0,267 |
|
Диаметр ходового колеса тележки крана, м |
0,71 |
1.2 Постановка
задачи
Главная задача –
разработка предложений по модернизации электропривода перемещения тележки крана
кругового действия 360(205)/32т – это спроектировать, рассчитать и построить
модель модернизированного электропривода перемещения тележки полярного краном.
Для оценки работы модернизированного электропривода рассчитаем диапазон
регулирования спроектированного электропривода исходя из расчетных механических
характеристик и максимальную скорость и проверим на их соответствие заданию.
Для сокращения времени
выполнения отдельных подъемно-транспортных операций и технологических операций
со «свежим» и отработавшим ядерным топливом, радиоактивными отходами,
элементами реакторной установки необходимо увеличить максимальную скорость
перемещения тележки крана с 0,267 м/с до 0,4 м/с. Данное мероприятие
позволит в 1,5 раза снизить время перемещения тележки в пределах моста крана.
Одновременно, для
выполнения отдельных технологических операций необходимо предусмотреть
возможность ограничения скорости перемещения тележки ниже 0,4 м/с. Таким
образом, необходимо предусмотреть возможность регулирования скорости
перемещения тележки от 0,1 м/с до 0,4 м/с.
1.3 Исходные
данные для решения поставленной задачи
Исходными данными
являются технические характеристики крана кругового действия 360(205)/32т,
приведенные в таблице 1.
Тележка крана приводится
в движение двумя мотор-редукторами, укомплектованными асинхронными двигателями.
Двигатели подключаются к сети магнитными пускателями по реверсивной схеме
включения с прямым пуском.
1.4 Предложения по модернизации
Целью исследования
является обобщение и применение опыта, накопленного в области грузоподъемных
машин, в приборах безопасности и контроля. В соответствие с темой выпускной
квалификационной работы была выбрана главная задача, заключающаяся в создании
проекта по модернизации электропривода перемещения тележки мостового
электрического крана кругового действия. Данная задача будет подвержена
всестороннему изучению с целью создания проекта по модернизации и применения
его для грузоподъемного оборудования.
Для решения
поставленной задачи предлагается:
·
для повышения
максимальной скорости перемещения тележки крана применить мотор-редукторы с
большей частотой вращения выходного вала;
·
для
регулирования скорости перемещения тележки применить преобразователи частоты
для управления асинхронными двигателями мотор-редукторов.
2 Расчет
механизма передвижения крана
2.1 Требования к системе электропривода
Для выбора системы
электропривода необходимо четко представлять себе технологические требования к
приводу того механизма, для которого он выбирается.
Для качественного
выполнения спуска или перемещения грузов электропривод крановых механизмов
должен удовлетворять следующим основным требованиям [2].
Регулирование угловой
скорости двигателя в сравнительно широких пределах в связи с тем, что тяжелые
грузы целесообразно перемещать с меньшей скоростью, а пустой крюк или
ненагруженную тележку – с большей скоростью для увеличения производительности
крана. Пониженные скорости необходимы также для осуществления точной остановки
транспортируемых грузов с целью ограничения ударов при их посадке и облегчают
работу оператора. Обеспечение необходимой жесткости механических характеристик
привода, особенно регулировочных, с тем чтобы низкие скорости почти не зависели
от груза.
Ограничение ускорений
до допустимых пределов при минимальной длительности переходных процессов.
Первое условие связано с ослаблением ударов в механических передачах при выборе
зазора, с предотвращением пробуксовки ходовых колес тележек и мостов, с
уменьшением раскачивания подвешенного на канатах груза при интенсивном разгоне
и резком торможении механизмов передвижения.
Второе условие
необходимо для обеспечения высокой производительности крана.
2.2 Расчет необходимой мощности двигателя перемещения тележки
крана
Привод колес выполнен с навесными
планетарными редукторами.
Расчет заключается в определении
сопротивления движению, выборе двигателей, редуктора.
Механизм передвижения с
электрическим приводом состоит из электродвигателя, промежуточных передач
(трансмиссии), ходовой части с ведущими и ведомыми колесами. Механизм
передвижения тележки (см. рисунок 4) выполнен с
раздельным приводом и состоит из двух отдельных приводов для каждой стороны
моста.
Рисунок
4 – Кинематическая схема механизма передвижения тележки
Грузовая тележка
отвечает за подъем и перемещение рабочего органа крана. Грузовая тележка
конструируются с расчетом для использования как на однобалочных, так и на двухбалочных
конструкциях.
На схеме показан принцип
перемещения тележки. Электрический двигатель 5 передает крутящий момент на
приводные колеса 1 через муфты 2, 4 и редукторы 3.
При работе механизма с раздельным
приводом перераспределение нагрузок между электродвигателями осуществляется
через металлоконструкцию моста. На забегающей вперед стороне моста благодаря
повышению сопротивления на приводных ходовых колесах и возрастанию нагрузки на
электродвигатель наблюдается падение скорости движения. На противоположной
стороне в связи с уменьшением сопротивления на приводных колесах и нагрузки на
двигатель происходит некоторое повышение скорости вращения, и в результате
перекос автоматически выравнивается.
Следовательно, движение моста
крана с раздельным приводом происходит с меньшими перекосами, что и
способствует широкому применению этого типа привода. Установка двух отдельных
приводов у концевых балок моста создает, как показывает практика, более
благоприятное распределение нагрузок на ходовые колеса, рельсы и мост крана и
приводит к повышению надежности и долговечности этих элементов.
Число ходовых колес тележки
зависит от грузоподъемности крана. При грузоподъемности более 160 тонн применяется
восемь колес [1].
Заданы грузоподъемность крана
Выбор электродвигателя производится
в соответствии с ГОСТ 24.090.85–88, который предусматривает вычисления
расчетной мощности
где:
где:
Выбор коэффициентов проведен в соответствии с рекомендациями,
приведенными в учебном пособии «Проектирование, конструирование и
расчет механизмов мостовых кранов» [3]:
Расчетная мощность
электродвигателя:
где:
Следовательно:
Расчетная мощность
Кроме этого, расчетная
мощность электродвигателя определяется по тепловому режиму для принятой системы
электропривода и заданного режима работы:
где:
Частота вращения колеса тележки:
где:
2.3 Выбор
мотор-редуктора
Исходя из необходимой мощности и
частоты вращения выходного вала (частота вращения колеса тележки) выбираем
мотор-редуктор МР-3-500-14-12,5 представлен на рисунке 5 с параметрами, приведенными в таблице 2.
Таблица 2
– Технические
характеристики мотор-редуктора
|
Параметр |
Значение |
|
Передаточное число |
118,4 |
|
Тип двигателя |
АИР200М4 |
|
Мощность двигателя, кВт |
37 |
|
Число оборотов на выходном валу
редуктора, об/мин |
12,5 |
|
Момент на выходном валу, Н∙м |
26810 |
Рисунок 5 – Общий вид мотор-редуктора
МР-3-500-14-12,5
Находим фактическую максимальную
скорость перемещения тележки исходя из частоты вращения выходного вала, выбранного
мотор-редуктора [4]:
где:
Полученное значение максимальной
скорости удовлетворяет заданию.
3 Выбор
преобразователя частоты
3.1
Преобразователь частоты с автономным инвертором напряжения и широтно-импульсной
модуляцией
Преобразователь частоты,
работающий на статорную обмотку асинхронного двигателя, включает в себя:
автономный инвертор напряжения (АИН) с системой управления инвертора (СУИ) и неуправляемый
выпрямитель (НВ). На выходе выпрямителя предусмотрен LC-фильтр, предназначенный для
сглаживания выпрямленного напряжения Ud. В тормозном резисторе Rт, который подключается через тормозной прерыватель Кт при
переходе двигателя в тормозной режим, рассеивается энергия торможения [5]. В
промышленных установках управляемый выпрямитель питается от сети переменного
тока промышленной частоты 50 Гц. Управляющим воздействие для него является
сигнал задания напряжения на входе системы управления выпрямителем (СУВ).
Наиболее распространенной схемой
силовой части инвертора является трехфазная мостовая схема, состоящая шести
управляемых ключей, обозначенных на рисунке 6 цифрами 1…6. Эти ключи должны обладать
двухсторонней проводимостью. В качестве силовых ключей применены мощные IGBT транзисторы. К
достоинствам IGBT
относятся: высокая допустимая плотность тока; управление напряжением, как у
МОП-транзисторов; практически прямоугольная область безопасной работы,
исключающая необходимость формирования траектории переключения, низкие потери в
импульсном режиме.
На рисунке 6 к
средним точкам каждого из плеч инвертора подключено начало фазной обмотки
статора двигателя, если обмотки статора соединены звездой, или угол
треугольника, если обмотки соединены треугольником:
а) схема
подключения обмотки статора двигателя «звездой»
б) схема подключения обмотки статора
двигателя «треугольником».
Рисунок
6 – Структурная схема преобразователя частоты со звеном постоянного тока
3.2 Выбор способа
управления и мощности преобразователя частоты
В первую очередь при выборе модели частотного
преобразователя следует исходить из конкретной задачи, которую должен решать
электропривод, типа и мощности подключаемого электродвигателя, точности и диапазона
регулирования скорости, точности поддержания момента вращения на валу
двигателя, времени, отведенного для разгона и торможения, продолжительности
включения и количества включений в час.
Для решения
задач регулирования скорости и момента в современном электроприводе применяют
два основных метода частотного управления:
·
скалярное управление;
·
векторное управление.
Скалярный метод управления асинхронным электродвигателем переменного
тока, заключается в том, чтобы поддерживать постоянным отношение
напряжение/частота (
Отношение
Векторное
управление – метод управления бесщеточными
электродвигателями переменного тока, который позволяет независимо и практически
безынерционно регулировать скорость вращения и момент на валу электродвигателя.
Главная идея векторного управления заключается в
том, чтобы контролировать не только величину и частоту напряжения питания, но и
фазу. Другими словами, контролируется величина и угол пространственного
вектора. Векторное управление в сравнении со скалярным обладает более высокой
производительностью. Векторное управление избавляет практически от всех
недостатков скалярного управления.
Асинхронный
электропривод со скалярным управлением является на сегодняшний день наиболее
распространенным. Он применяется в составе приводов насосов, вентиляторов,
компрессоров и других механизмов, для которых важно поддерживать либо скорость
вращения вала двигателя (при этом используется датчик скорости), либо
технологический параметр (например, давление в трубопроводе, при этом
используется соответствующий датчик).
Скалярное
управление обеспечивает постоянство перегрузочной способности электропривода
независимо от частоты напряжения, но имеет место снижение развиваемого двигателем
момента при низких частотах (при
Метод
скалярного управления относительно прост в реализации, но обладает двумя
существенными недостатками. Во-первых, при отсутствии датчика скорости на валу
двигателя невозможно регулировать скорость вращения вала, так как она зависит
от нагрузки. Наличие датчика скорости решает эту проблему, однако остается
второй существенный недостаток – нельзя регулировать момент на валу
двигателя. С одной стороны, и эту проблему можно решить установкой датчика
момента, однако такие датчики имеют очень высокую стоимость, зачастую
превышающую стоимость всего электропривода. Но даже при наличии датчика
управление моментом получается инерционным. Более того, при скалярном
управлении нельзя регулировать одновременно и момент, и скорость, поэтому
приходится выбирать ту величину, которая является наиболее важной для данного
технологического процесса.
Для
устранения недостатков, присущих скалярному управлению, фирмой SIEMENS еще в
1971 году был предложен метод векторного управления. Первые варианты
электроприводов с векторным управлением требовали использования двигателей со
встроенными датчиками потока. Это существенно ограничивало применение таких
приводов.
В современных
электроприводах в систему управления закладывается математическая модель двигателя,
которая позволяет рассчитывать момент на валу и скорость вращения вала. При
этом необходимыми являются только датчики тока фаз статора двигателя. Благодаря
специальной структуре системы управления обеспечивается независимое и
практически безынерционное регулирование двух основных параметров – момента на валу и скорости вращения.
На
сегодняшний день сформировалось два основных класса систем векторного
управления – бездатчиковые системы (без датчика
скорости на валу двигателя) и системы с обратной связью по скорости. Применение
того или иного метода векторного управления определяется областью применения
электропривода. При небольших диапазонах изменения скорости (не более 1:100) и
требованиях к точности ее поддержания не более ±0,5 % применяют бездатчиковое
векторное управление. Если же скорость вращения вала изменяется в широких
пределах (до 1:10000 и более), имеются требования к высокой точности
поддержания скорости вращения (до ±0,02 % при частотах вращения менее
1 Гц) или есть необходимость позиционирования вала, а также при
необходимости регулирования момента на валу двигателя на очень низких частотах
вращения, применяют методы векторного управления с обратной связью по скорости.
При
использовании векторного управления достигаются следующие преимущества:
·
высокая точность регулирования скорости даже при отсутствии
датчика скорости;
·
плавное, без рывков, вращение двигателя в области малых
частот;
·
возможность обеспечения номинального момента на валу при
нулевой скорости (при наличии датчика скорости);
·
быстрая реакция на изменение нагрузки: при резких скачках
нагрузки практически не происходит скачков скорости;
·
обеспечение такого режима работы двигателя, при котором
снижаются потери на нагрев и намагничивание, а следовательно, повышается КПД
двигателя.
Важно и то, что векторное управление позволяет
наилучшим образом обеспечить энергосбережение, т.к. преобразователь частоты
(инвертор) передает в двигатель ровно столько мощности, сколько необходимо для
вращения нагрузки с заданной скоростью, даже если входное напряжение больше,
чем 380 В (например, 440–460 В, что часто встречается в промышленной
сети). Экономия электроэнергии особенно заметна на мощных двигателях 11 кВт
и выше. В зависимости от применения достигается экономия энергии до 30 %,
а в некоторых случаях до 60 %.
Наряду с
очевидными преимуществами, методу векторного управления присущи и некоторые
недостатки, такие, как большая вычислительная сложность и необходимость знания
параметров двигателя. Кроме того, при векторном управлении колебания
скорости на постоянной нагрузке больше, чем при скалярном управлении. Следует отметить, что существуют
области, в которых возможно использование только скалярного управления,
например в групповом электроприводе, где от одного преобразователя питаются несколько
двигателей.
Для выбора
метода управления найдем диапазон регулирования привода протяжки ленты.
Диапазон регулирования привода при диапазоне
скоростей перемещения тележки крана при бесступенчатом регулировании от 0,1 до
0,464 м/с:
Учитывая, что диапазон регулирования небольшой (не
более 1:10) и к приводу перемещения тележки не предъявляются требования точного
поддержания заданной частоты вращения, то достаточно будет применить
преобразователь частоты со скалярным управлением.
Будем выбирать преобразователь частоты из серии
общепромышленных отечественного производителя Веспер. Серия разработана на базе
преобразователя EI-7001, включает в себя широкий диапазон мощностей от
0,75 кВт до 315 кВт, и применяются в технологическом оборудовании с
управляемым электроприводом: смесителях, дозаторах, производственных линиях,
конвейерах, системах водоснабжения, вентиляции, дымососах и т.п. оборудовании.
Преобразователь частоты серии
EI-7011 является скалярным преобразователем. Управление выполняется посредством
поддержания соотношения напряжения/частота
Преобразователи частоты серии EI-7001 со скалярным
управлением допускают подключение двух двигателей к одному преобразователю. В
нашем случае это необходимо для обеспечения одинаковой скорости вращения
приводных колес тележки крана. При этом частотный преобразователь должен иметь
выходной ток в 1,1 раза большим [6].
Номинальный ток выбранного двигателя АИР200М4 равен 68,3 А.
Необходимый ток частотного преобразователя для работы на два мотор-редуктора
должен быть:
По полученному максимальному току выбираем
преобразователь частоты EI-7011-100H с номинальным
выходным током 150 А.
Общие характеристики преобразователя
частоты EI-7011-100H приведены в таблице 3.
Общая (базовая) схема подключения
логической части и электродвигателя показана на рисунке 7.
Рисунок
7 – Базовая схема подключения инвертора
Данная схема показывает
процесс подключения и относится к выбранному преобразователю частоты.
Таблица3 – Характеристики
преобразователя частоты EI-7011-100H
|
Характеристики |
Значения |
|
Номинальный ток на выходе, А |
150 |
|
Напряжение питания, В |
380–480 |
|
Количество фаз |
3 |
|
Тип управления |
Скалярное (U/f) |
|
Способ задания частоты, мА |
Кнопки пульта управления, внешние
аналоговые сигналы от 4 до 20 |
|
Способ управления |
Синусоидальная широтно-импульсная
модуляция |
|
Отображение |
Цифровой дисплей |
|
Выходная частота, Гц |
0,1–400 |
|
Точность выходной частоты, Гц |
0,1 |
|
Класс защиты |
IP20 по ГОСТ 14254–96 |
|
Перегрузка, в течение 1 минуты |
150 % от номинального
выходного тока |
|
Время разгона/торможения, с |
от 0,1 до 3600 |
|
Мгновенная защита по току |
180 % номинального тока ПЧ |
|
Тормозной блок |
Да |
|
Аналоговый вход, кол-во |
2 |
|
Дискретный вход, кол-во |
6 |
|
Аналоговый выход, кол-во |
1 |
|
Дискретный выход, кол-во |
2 |
|
Интерфейс |
Управление и диагностика по линии
RS-485/RS-232
протокол MODBUS |
|
Регулятор |
ПИД-регулирование |
|
Габариты (ШхВхГ), мм |
355x677x326 |
|
Вес, кг |
39 |
4 Разработка
электрической схемы электропривода
4.1 Выбор коммутационной аппаратуры
Автоматический защитный
выключатель обязательно должен быть включен между источником напряжения питания
и входными силовыми цепями R, S, T частотного преобразователя.
Номинальный ток выключателя
выбирается:
По рекомендациям, приведенным в [7]
преобразователь частоты EI-7011-100H должен подключаться с
автоматическим выключателем с номинальным током 200 А.
Выбираем автоматический выключатель ABB XT3N 250 TMD 200-2000 200A 3p F F
1SDA068058R1 представлен на рисунке 8технические характеристики которого указаны в таблице 4.
Таблица 4 – Технические характеристики автоматического
выключателя
|
Характеристика |
Значение |
|
Тип
монтажа |
на монтажную панель |
|
Номинальное
напряжение, В |
690 |
|
Отключающая
способность, кА |
36 |
|
Климатическое
исполнение |
У3 |
|
Степень защиты |
IP40 |
|
Вес нетто, кг |
1,7 |
|
Номинальный ток,
А |
200 |
Рисунок 8 – Автоматический
выключатель ABB
На входе преобразователя так же
устанавливается магнитный пускатель. Его выбираем по номинальному току автоматического
выключателя.
Выбираем 3-х
полюсный контактор
с катушкой управления производства АВВ тип AF205-30-11-13.
который представлен на рисунке 9 с
техническими характеристиками, указанными в таблице 5.
Рисунок 9 – Контактор
ABB AF205-30-11-13
Таблица 5 – Технические характеристики автоматического контактора:
|
Характеристика |
Значение |
|
3 |
|
|
Количество силовых НЗ
контактов |
0 |
|
Номинальный ток AC 3 (А), при
400 В |
205 |
|
Напряжение катушки
управления, В |
100–250 |
|
Род тока катушки управления |
Переменный/Постоянный |
Продолжение таблицы 5
|
Напряжение, В |
1000 |
|
Исполнение |
Нереверсивное |
|
Климатическое исполнение |
УХЛ3 |
|
Механическая износостойкость (количество циклов) |
5 млн |
|
Номинальная мощность электродвигателя, кВт |
110 |
Тормозной прерыватель подключает
тормозной резистор к шине постоянного тока преобразователя во время работы
электродвигателя в генераторном режиме. Работает в импульсном (ключевом)
режиме.
Согласно рекомендациям
изготовителя преобразователя частоты [7] выбираем внешний тормозной прерыватель
модель EI-BR-075H.
Тормозной резистор при
подключении к преобразователю позволяет производить быстрое торможение
инерционной нагрузки путем поглощения энергии, генерируемой электродвигателем.
Подключается непосредственно к преобразователю (при наличии встроенного
тормозного прерывателя) или к внешнему тормозному прерывателю. Необходимый
номинал сопротивления достигается параллельным соединением стандартных
резисторов.
Исходя из рекомендаций [7] для
преобразователя частоты EI-7011-100H общее сопротивление тормозных резисторов
должно быть 8 Ом при общей мощности рассеяния 10000 Вт. Рекомендуется
применение резисторов ТР-6,25 сопротивлением по 80 Ом, мощность каждого
1 кВт. Количество резисторов – 10 штук соединяются параллельно.
Эквивалентное сопротивление соединенных параллельно 10 резисторов по
80 Ом равно 8 Ом, суммарная рассеиваемая мощность, как и требуется
равна 10 кВт.
4.2 Описание
работы электрической схемы электропривода передвижения тележки крана
Электрическая принципиальная
схема разработана с учетом рекомендация производителя – каталог применений
общепромышленного ПС EI-7011
(версия 1.11). Так как согласно кинематической схеме механизма
передвижения тележки необходимо применение двух мотор-редукторов, которые должны
обеспечивать одинаковую скорость вращения ведущих колес тележки, то выбрана
схема с параллельным подключением двух асинхронных двигателей к одному
преобразователю частоты. В данном случае при скалярном управлении такое
подключение допускается [8].
Подключение преобразователя
частоты к силовой сети выполнено через автоматический выключатель QF1, выполняющий защитную
функцию и контактор КМ1 (магнитный пускатель). Автоматический выключатель QF1 имеет блок-контакт в цепи
управления катушкой контактора. Катушка контактор включена по типовой схеме с
самопитанием.
Выбор направления движения тележки
осуществляется контактами КВ (вперед) и КН (назад).
Скорость движения тележки
задается потенциометром R1.
Для обеспечения быстрого
торможения электропривода тележки в схеме предусмотрено подключение внешних
тормозных резисторов, подключаемых к преобразователю частоты через тормозной
прерыватель.
На рисунке 10 представлена
электрическая принципиальная схема электропривода передвижения тележки крана.
Рисунок 10 – Схема
электрическая принципиальная электропривода передвижения тележки крана
5 Моделирование
работы электропривода
5.1 Расчет и
построение механической характеристики для асинхронного двигателя
Схема замещения (СЗ) является значимым достижением в
теории асинхронных машин, так как изучение сложнейших процессов, происходящих в
реальном АД, сводится к решению задач на основе двухзвенной однофазной цепи.
Параметры СЗ могут быть определены, если известны
размеры активной зоны и обмоточные данные АД, которые не всегда доступны
разработчикам электропривода [9]. Изготовители АД не делают эту информацию
общедоступной, исходя из коммерческих соображений, и ограничиваются
представлением только каталожных данных.
В каталожных данных на АД обычно указываются:
·
высота оси вращения в мм и типоисполнение АД;
·
число полюсов статора;
·
номинальная полезная мощность в кВт,
·
линейные (фазные) напряжения и токи статора;
·
частота вращения ротора номинальная (об/мин) или номинальное
скольжение (%);
·
к.п.д., коэффициент мощности;
·
кратности пусковых токов, номинального и максимального моментов.
Параметры СЗ необходимы для определения пусковых токов
при выборе магнитных пускателей и контакторов в релейных системах управления
АД; для настройки систем управления современных частотно-регулируемых
электроприводов; для моделирования переходных процессов при проведении научных
исследований.
Параметры схемы замещения могут быть найдены
экспериментально, на основе ГОСТов на методики проведения испытаний. Выполнение
точных измерений непосредственно на объектах, где установлен АД, не всегда
возможно. В некоторых системах электропривода АД соединяются с нагрузкой через
редуктор или различные механические передачи, а иногда АД и нагрузка
монтируются в одном корпусе, являясь общей частью электропривода. В таких
случаях, даже имеющиеся параметры СЗ, необходимо корректировать средствами
микропроцессорного управления (МПУ) АД, применением специальных корректирующих
алгоритмов.
Однако, на первом этапе ввода параметров в систему МПУ
АД необходимо вводить параметры схемы замещения: активные сопротивления фаз
статора, ротора и ветви намагничивания; индуктивные сопротивления рассеяния фаз
статора, ротора и ветви намагничивания.
Т-образную схему замещения (см. рисунок 11) АД используют для расчета
характеристик АД в относительных единицах, когда частота напряжения на статоре
отличается от номинального значения.
Рисунок 11 – Т-образная схема замещения
асинхронного двигателя
Номинальные паспортные данные двигателя АИР200М4:
·
номинальная мощность
·
частота вращения номинальная
·
КПД
·
коэффициент мощности
·
номинальный ток статора при 380 В
·
отношение пускового тока к номинальному
·
отношение максимального момента к номинальному
·
число пар полюсов
·
количество фаз
·
скорость холостого хода
Для дальнейших расчетов находим величины:
Угловая скорость холостого хода:
Номинальная угловая скорость:
При частоте питающей сети
Упрощенная формула Клосса для расчета механических
характеристик АД имеет следующий вид:
На рисунке 12 представлена смоделированная механическая
характеристика асинхронного двигателя при номинальной частоте и напряжении
питания.
Рисунок 12 – Механическая характеристика асинхронного двигателя при
номинальной частоте и напряжении питания
5.2 Расчет
параметров асинхронного двигателя
5.2.1 Определение
значений активных сопротивлений фазы статора и ротора
Определяем номинальный момент АД:
Находим значение номинального скольжения:
Используем для расчета критического скольжения для
естественной характеристики АД следующее соотношение, приняв
Значение коэффициента
Расчетный коэффициент:
Определяем ток намагничивания для номинального режима
и значение расчетного коэффициента:
Ток намагничивания составляет 35 % от
номинального тока статора, а расчетный коэффициент равен:
Следовательно, отношение
Используя выражение для потери мощности в роторе,
рассчитываем значения приведенных к статору значений номинального тока ротора и
сопротивление ротора:
Тогда, оценка для значения сопротивления статора равна:
5.2.2 Определение
индуктивных сопротивлений Т- образной схемы замещения
Векторная диаграмма токов, ЭДС и напряжений АД
изображена ниже на рисунке 13.
Основные уравнения АД для режима номинальной нагрузки
имеют вид:
Если спроектировать токи на ось U, то
получим выражение вида:
С учетом того, что
где:
Из выражений для максимального момента и критического скольжения можно получить
уравнение:
С учетом того, что
Коэффициенты квадратного уравнения находятся из следующих соотношений:
Таким образом, можно определить уточненное значение коэффициента
На рисунке 13 представлена векторная диаграмма асинхронного двигателя.
Рисунок 13 – Векторная диаграмма асинхронного двигателя
С учетом того, что активное сопротивление контура
намагничивания мало по сравнению с индуктивным сопротивлением, то принимаем
значение угла
Расчет коэффициентов дает следующие результаты:
Находим значение:
Теперь можно рассчитать:
Для того чтобы выделить из индуктивного сопротивления
Согласно векторной диаграмме ЭДС ветви намагничивания
Тогда индуктивное сопротивление контура намагничивания можно оценить по
соотношению:
5.2.3 Определение
базовых расчетных параметров асинхронного двигателя для построения
математической модели
Определяем полные индуктивные сопротивления статора и
ротора:
Индуктивное сопротивление контура замыкания:
Рассчитываем индуктивности статора, ротора и контура
намагничивания:
Вычисляем электромагнитные постоянные времени статора
и ротора, а также значение коэффициента рассеяния
Электромагнитную постоянной времени цепи статора:
Электромагнитная постоянная времени роторной цепи:
Коэффициент рассеяния:
5.3 Расчет
механических характеристик асинхронного двигателя в системе ПЧ-АД при частотном
регулировании в программе Mathcad
Т-образную схему замещения АД используют для расчета
характеристик АД в относительных единицах, когда частота напряжения на статоре
отличается от номинального значения.
При расчетах используется значения относительной
частоты напряжения питания:
Относительная частота роторной ЭДС:
Значение скорости ротора АД в относительных единицах
находится как разность:
Для построения характеристики в абсолютных единицах
необходимо осуществить пересчет по формуле:
Характеристика, построенная при номинальном фазном
напряжении и номинальной частоте, будет естественной механической
характеристикой АД.
Расчет характеристик электромагнитного момента АД
следует производить на основе уравнения:
Значения величин относительного критического
скольжения для разных частот управления можно рассчитать по формуле:
Значения напряжений, токов и потокосцеплений при
проведении расчетов представляют собой действующие значения соответствующих
величин.
В результате расчета с применением Mathcad для двигателя АИР200М4 получены механические характеристики,
представленные на рисунке 14.
Из семейства механических характеристик видно, что
минимальная частота питающего напряжения статора асинхронного двигателя, при
которой возможен пуск двигателя с номинальным моментом нагрузки равна 6,5 Гц.
При этом минимальная частота вращения вала двигателя при номинальной нагрузке
будет 17 рад/с.
При номинальной частоте питания статора частота вращения вала двигателя при
номинальной нагрузке равна 153 рад/с.
Диапазон регулирования при скалярном управлении
вычисляем по полученной максимальной и минимальной скорости двигателя на рисунке 14:
Полученный диапазон регулирования больше заданного 4,64
и удовлетворяет требованиям задания на проектирование.
Полученный диапазон регулирования является максимально
возможным при скалярном управлении данным асинхронным двигателем.
Найдем минимальную скорость перемещения тележки при
полученном диапазоне регулирования скорости:
Полученная диапазон регулирования
скорости от 0,0516 м/с
до 0,464 м/с полностью
удовлетворяет заданному требованию от 0,1 м/с до 0,4 м/с.
На рисунке 14 представлены механические
характеристики асинхронного двигателя при скалярно-частотном управлении.
Рисунок
14 – Расчетные механические
характеристики АД при скалярном частотном управлении
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В выпускной квалификационной
работе бакалавра выполнен расчет мощности электродвигателя и
выбор мотор-редуктора для обеспечения заданной максимальной скорости
перемещения тележки крана кругового действия 360(205)/32т.
Для выполнения задачи по
повышению скорости перемещения тележки выбран мотор-редуктор МР-3-500-14-12,5,
который обеспечит максимальную скорость 0,464 м/с, при заданной 0,4 м/с.
Быстрое наведение крюка выбранного механизма подъёма
на заранее заданные зоны обслуживания требует уменьшения времени нахождения
стропальщиков в зонах при проведении некоторых транспортно-технологических
операций с повышенным риском, а также для облегчения работы машиниста крана.
Для реализации регулирования скорости вращения
предложен к применению преобразователь частоты EI-7011-100H со скалярным управлением производства Веспер. В результате расчета механических характеристик получен
диапазон регулирования скорости 0,0516–0,464 м/с, что полностью перекрывает
требования заданного диапазона скоростей от 0,1 м/с до 0,4 м/с. Таким образом, можно сделать
вывод, что цель работы достигнута.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1
ТЯЖМАШ : сайт. – URL: https://www.tyazhmash.com/.
2
Хитров А.И. Системы управления электроприводов. Программа
курса и методические указания к курсовой работе. Псковский
государственный политехнический институт. – Псков, 2009. – 103с.
3
Жегульский, В.П. Проектирование, конструирование и расчет
механизмов мостовых кранов: учебное пособие. – Екатеринбург: Изд-во Урал.
ун-та, 2016. – 184
с.
4
Кержавин В.В. Расчет крановых механизмов. Курсовой проект:
учебное пособие. – Изд-во Рос.гос.проф.-пед. ун-та, 2017. – 115 с.
5
Руководство по эксплуатации преобразователя частоты EI-7011 //
Общепромышленный ПЧ EI-7011. – 2014. – С. 36–75.
6
Марон, А.В. Справочник по расчетам механизмов
подъемно-транспортных машин. – 2-е изд., перераб. и доп–Мн.: – Высш. шк., 1983. – 350 с., ил.
7
Ленинградской АЭС АО / [Электронный ресурс] // «Концерн Росэнергоатом» : [сайт]. – URL:
https://www.rosenergoatom.ru (дата обращения: 18.01.2023).
8
Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным
регулированием. Учебник для вузов. – М.: Академия, 2006. – 272 с.
9 Общепромышленный ПЧ EI-7011 / [Электронный ресурс] // «Концерн Росэнергоатом» : [сайт]. — URL: https://www.celmont.ru/staff/service/mat/Catalogs/Vesper/cat%20use%207011.pdf.
